大直径盾构隧道管片连接预埋套筒抗拔性能试验研究

赵金虎

(中铁十四局集团房桥有限公司,北京 102400)

近年来,盾构隧道建造技术发展日新月异,逐步在向长距离、大深度、大断面方向发展。就当前盾构隧道工程的发展水平而言,一般将直径5 m以下隧道称为小直径盾构隧道,直径5 ～10 m称为常规直径盾构隧道,直径10 ～14 m称为大直径盾构隧道,14 m以上为超大直径盾构隧道。2000年以来,我国超大直径盾构隧道工程呈爆发式增长态势,受到了越来越多的重视和关注。

盾构隧道由预制管片逐一拼接而成,管片间的拼装接头关系到盾构隧道的防水性能、承载能力乃至拼装施工效率,是盾构隧道工程领域重点关注和研究的热点之一。盾构隧道管片接头主要有螺栓接头、铰接头、销插型接头、楔形接头、榫接头等多种类型[1],目前盾构隧道工程最常用的是螺栓接头。张稳军等[2-3]采用有限元模型分析了多种螺栓连接的承载性能,并重点对斜螺栓连接的多种性能进行了研究。朱瑶宏等[4]对螺栓形式的接缝进行了加载试验研究,详细分析了螺栓形式、长度等因素对受力性能的影响。Zhou等[5]对一种采用钢连接板的盾构隧道管片螺栓连接进行了试验研究。Lorenzo[6]系统研究了螺栓在混凝土管片拼装隧道中的作用,同时指出了目前关于管片螺栓的设计无针对性计算方法的问题。周海鹰等[7]通过试验加载对管片螺栓接头的强度、受力及变形规律进行了研究。Salemi等[8]针对管片螺栓连接的接触区域进行了模型加载试验,并提出了相关模拟数值模型的建立方法。邓志鑫等[9]研究了不同时速列车撞击荷载作用下被撞管片块周边接头螺栓拉力、剪力的时程变化及失效情况。张力等[10]推导了管片螺栓接头抗弯承载力理论模型,并就斜螺栓接头的承载力进行了抗弯承载力试验研究。徐培凯等[11]以苏通GIL工程为背景,对盾构隧道斜螺栓-凹凸榫式新型环间接头的抗剪性能进行了研究,建立的三维有限元模型中考虑了聚酰胺套筒。

基于上述研究可知,目前对管片螺栓连接的研究多集中于连接整体的受力性能,其多受混凝土控制。对于管片螺栓连接的设计尚无针对性计算方法,多采用经验性的习惯做法,并提出相关承载力指标。然而,对于管片中采用的螺栓构造是否能够达到设计要求,尚无成熟的成果,其中,斜螺栓连接中使用的螺纹套筒,其性能是否可靠,缺乏有效的试验数据支撑。

盾构隧道管片的套筒(如图1所示)与配套螺栓,是隧道内管片纵向连接与环向连接的重要组成部分。随着越来越多的盾构隧道应用于地下工程,管片作为与外界泥浆直接接触的预制构件,管片连接的紧密程度直接影响到管片的抗渗性能和耐久性能,因此,套筒与配套螺栓间的连接力要求更加严格,其也成为了盾构隧道施工的重点关注部分。特别是在大直径盾构隧道中,如盾构外径15.76 m的济南黄河隧道工程,首次进行黄河水下穿越,预制管片采用“9+1”模式,管片外径15.2 m,内径13.9 m,壁厚650 mm,构件尺寸大;套筒长200 mm,螺纹外径38.6 mm(如图2所示),纵向与环向缝隙的要求分别为不超过2.0 mm和1.0 mm,纵向与环向的连接力必须能够满足设计和规范要求。套筒与配套螺栓在盾构隧道管片中起着重要的连接作用,因此对其承载力要求十分严格。

图1 套筒实物

图2 套筒尺寸(单位:mm)

1 设计要求

配套螺栓采用M36钢螺栓,产品等级为C级,机械性能等级为8.8级,加工数量为每环58根。套筒采用聚酰胺材质,产品及强度等级与配套螺栓匹配,抗拔力试验要求不小于678 kN,套筒抗拔力试验的抽检数量为3组。套筒与配套螺栓耐久性为100 a,且能满足各种工况下的环境要求,套筒与配套螺栓的螺纹必须匹配,在满足抗拔荷载前提下可适当松配。

2 试验研究

聚酰胺螺纹套筒产品与混凝土有好的相容性,具有足够大的锚固力,在管片蒸汽养护加热和降温过程中不会因其热膨胀和冷缩导致与混凝土之间的裂缝。相对于钢套筒,聚酰胺螺纹套筒安装方便可靠、密封良好、成本低、抗腐蚀。与此同时,聚酰胺螺纹套筒不导电,采用聚酰胺螺纹套筒无须考虑防迷流问题,对于管片结构钢筋起到隔离屏蔽作用,有利于延长隧道的使用寿命。对于超大盾构隧道管片斜螺栓连接,大部分设计采用M36钢螺杆,对应的聚酰胺螺纹套筒均采用圆螺牙,螺距为5.08～6.00 mm,总长度190～200 mm,抗拔力要求达到678 kN。依据设计要求,对于套筒和配套螺栓的要求十分严格,针对各种聚酰胺套筒的成分组成、螺纹长度以及螺牙类型等影响因素,控制变量进行抗拔力的对比试验,比选出性能最佳、经济合理的套筒规格。

2.1 试验相关准备工作

聚酰胺套筒组成成分分别为100%PA6、100%PA66、100%PA12。PA6特性为具有热塑性、轻质、韧性好、耐腐蚀及耐久性好;PA66特性为具有高抗张强度、耐韧、耐冲击性特优,自润性、耐磨性优良,低温特性佳、具自熄性等;PA12特性为抗冲击性强、化学稳定性好、回潮率高等。

螺牙类型分别为细牙(如图3所示)、梯形粗牙(如图4所示);螺纹长度分别为200、220和250 mm(如图5所示)。

图3 细牙图4 梯形粗牙

图5 不同螺纹长度的套筒

钢螺栓组成成分为特种钢;螺纹长度分别为200、220、250 mm;螺牙类型分别为细牙,梯形粗牙,丝牙外径35.36 mm。相关数据见表1。

表1 不同组合形式的套筒参数

锚杆拉拔仪液压油泵以及配套的穿心千斤顶规格0～1 000 kN,管钳规格100 mm。

2.2 试件设计及制作

为研究螺纹套筒材质、螺纹形式、螺纹长度三个关键参数的影响,进行模拟实体拉拔试验。由于套管预埋方向为斜向,不利于安装拉拔装置,所以考虑使用模拟试件进行试验。按照试验原则,每组试样制作试件数量为3个。试件制作采用碎石粒径为5～25 mm的C60混凝土,规格为500 mm×500 mm×500 mm,试件内部配筋与管片局部实体相同。螺纹套筒材质采用PA6、PA12、PA66三种,螺纹形式采用螺距为5.08 mm的圆螺牙和螺距为12.18 mm的梯型粗牙两种,螺纹长度分别为200、220、250 mm。将螺栓拧至套管内,一同预埋至混凝土试件内,预埋深度与待测套管长度等长。注意保证预埋螺栓与加荷平面呈90°,同时试件制作完成后,将加荷面收平。

试件制作时,首先将套筒以及配套螺栓预埋在试件内,埋入时测定垂直度,通过设置附加交叉筋进行固定(如图6所示);然后浇筑与常规管片同配合比混凝土,并制作混凝土立方体试块,对试件进行7 d洒水养护,后覆膜自然养护;待达到28 d龄期,且抗压强度达到100%后,进行拉拔试验。

图6 试件制作

2.3 加载装置及加载方法

加载装置及加载方式如图7、图8所示。千斤顶直接坐落于加载试件之上,螺栓穿过千斤顶,螺栓顶部通过螺母锚固在油缸之上。安装时,螺栓旋入螺纹套筒内后,需检查螺旋的旋入深度及垂直度。试验加载时,以设计荷载678 kN作为控制荷载,试验加载形式为七级加载[12],每级加载值见表2,持续时间不应少于5 min。当抗拔性能检验加载达到设计荷载时,持续荷载30 min,若试件达到控制荷载时仍未破坏,则继续增加荷载,每级持荷期间应时刻观察力值,并及时补压;试验过程当中若出现滑丝、脱扣等现象,则认为试件破坏,停止加载。七级加载完成后,最终未出现滑丝、脱扣等现象,则试验合格,记录加载最终承载力。

表2 试验加载值

图7 加载装置

图8 加载现场

2.4 油泵使用前注意事项

(1)检查油量:如果液压缸活塞没有完全收缩回气缸内,应利用手压泵长柄压液压缸活塞,逆时针拧泵体上的阀门,使液压插孔中的液压油回到手压泵罐中,打开喷油阀,检查机油,如果油不是满的,需要添加N46耐磨液压油或20号油。

(2)排气:液压系统组装完成后,通常在储油缸、输油管和液压缸中会混入空气,为了使液压系统工作正常必须排出这些空气。必要时,可开启喷射阀,以清除油箱中的空气。

(3)压力泵手柄受力要均匀,且手压泵必须水平放置才能工作。

2.5 试验结果

试件在加载过程中基本保持完好,未发生螺纹套筒与混凝土的滑移,说明聚酰胺螺纹套筒与混凝土锚固性能可靠。试件破坏时,螺栓在螺纹套筒中发生滑丝,荷载无法继续施加,试件的抗拉承载力试验结果见表3。

表3 预埋套筒抗拔力试验结果

3 试验数据分析

由试验结果可知:

(1)采用PA6材质的螺纹套筒,其抗拔性能均不能达到设计要求,说明PA6材料抗剪力低,难以保证其抗拔性能满足要求。

(2)圆螺纹有效传递应力的长度实际为定值,采用圆螺纹的同材质试件抗拉承载力较为接近,与套筒长度关系不大。

(3)从损坏状态来看,占比80%数据不合格原因是套管与螺杆发生相对滑移,而混凝土试件未损坏,因此在设计当中应充分考虑两者的咬合性能。

对于试验结果数据中抗拔力不稳定的原因进行分析:

(1)细牙匹配度问题。螺栓套筒和螺栓制造均有加工牙口形状、直径等匹配问题,匹配度难以十分契合,造成抗拔力下降。

(2)细牙螺距误差问题。5.08 mm螺距相对12.18 mm螺距,丝扣较多,螺距误差累计结果加剧,通过将套管剖开旋入试验,部分丝扣与套筒不密贴;而采用12.18 mm螺距的梯形套筒,累计误差小,贴合度高。

(3)细牙切丝。细圆弧牙螺栓牙口十分尖锐,在拧紧过程中容易切丝且不被发现,造成抗拔力下降。

(4)细牙抗剪力问题。根据试验数据分析细牙的抗拔力略低于梯形粗牙。

在工程实践中习惯采用的PA6材质、圆螺纹的螺纹套筒实际垂直抗拔性能有限,在实际拼装过程中同时受到不同方向的应力,因此不能保证斜螺栓连接能达到设计要求的承载能力。

采用梯形粗牙的螺纹套筒,其抗拉承载力随着螺纹套筒的长度增加而增加,说明在长度250 mm以下的梯形粗牙螺纹套筒中的螺牙可有效传递螺栓应力。在所有试件中,仅PA66粗牙220 mm和PA66粗牙250 mm试件的抗拉承载力达到了设计要求,考虑盾构隧道管片保护层等的要求,建议超大盾构隧道管片M36斜螺栓连接采用PA66、梯形粗牙的220 mm长螺纹套筒。

4 结论

针对螺纹套筒材质、螺纹形式和套筒长度的因素,开展了螺纹套筒的抗拔性能试验研究,结果表明:习惯采用的PA6、圆螺牙的螺纹套筒实际抗拔能力难以达到设计承载要求,螺纹套筒建议采用PA66材质、梯形粗牙形式,且对于M36斜螺栓,套筒长度建议在220 mm及以上。